照明元件的間距帶有耦合變化的菲涅耳透鏡聚光燈的制作方法

專利名稱：照明元件的間距帶有耦合變化的菲涅耳透鏡聚光燈的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發射的光束有一個可調節的孔徑角的菲涅耳透鏡聚光燈，其有一個反射鏡，一個燈和至少一個菲涅耳透鏡。
背景技術：
和照明目的相關的通常的菲涅耳透鏡聚光燈通常包括一個燈，一個菲涅耳透鏡和一個球面的輔助反射鏡。通常燈絲基本上位于在球面反射鏡的球體中心的一個固定位置。因此，從燈發射出的一部分光線被反射回來，并且幫助前半球的光線發射。向前反射的光線通過菲涅耳透鏡聚焦。然而，光線聚焦的程度取決于菲涅耳透鏡和燈之間的距離。如果燈絲位于菲涅耳透鏡的焦點，則導致最窄的光束。這導致一個準平行的射束路徑，其也被稱為一個聚斑(spot)。形成的光束的孔徑角，通過縮短菲涅耳透鏡和燈之間的距離被連續擴大。這導致一個發散的射束路徑，其也被稱為一個泛光(flood)。
但是這種聚光燈有這樣的缺點，即光輸出弱，特別是在他們射束點的位置，因為在這種情況下只有燈的一個相對小的立體角范圍被菲涅耳透鏡覆蓋。更進一步的缺點是通過球面反射鏡反射的光線的一個很大比例又返回了燈絲自己，在那里它被吸收并且又加熱燈絲。
DE3919643A1公開了一種聚光燈，其帶有一個反射鏡，一個光闌和一個菲涅耳透鏡。聚光燈產生的照度通過移動光源變化，其改變光線的亮度。通過調節頂點和反射鏡之間以及光闌和反射鏡之間的距離調節亮度。
DE3413310A1公開了一種聚光燈，其帶有一個燈和一個反射鏡，或者一個燈和一個會聚透鏡。這種聚光燈還帶有一個散光玻璃或一個鏡子，均以45°角定位。鏡子偏轉光線，光被散光玻璃散射。不同的光束的發射角通過移動散光玻璃被產生。
DE10113385C1公開了一種菲涅耳透鏡聚光燈，其中的菲涅耳透鏡是一個會聚透鏡，它在光源側的焦點基本位于遠離反射鏡的橢圓形反射鏡的焦點，當其在聚斑位置時遠離反射鏡。反射鏡焦點間的距離，反射鏡焦距以及菲涅耳透鏡的焦距因此總計為這種菲涅耳透鏡聚光燈的最小長度。

發明內容
然而，本發明想提供一種具有更緊湊形式的菲涅耳透鏡聚光燈，并因此更加節省空間且比常規的菲涅耳透鏡聚光燈明亮。
此目的用一種如權利要求1所述的菲涅耳透鏡聚光燈和如權利要求19所述的照明裝置的令人驚訝的簡單方式達到。
使用一個具有負焦距的菲涅耳透鏡使得得到非常緊湊的形式成為可能，例如在菲涅耳透鏡聚光燈的聚斑位置，現在僅僅相當于反射鏡的長度加上分別使用的菲涅耳透鏡的厚度。
根據本發明的菲涅耳透鏡聚光燈產生相當好的光效率，特別是在聚斑位置，而且在泛光位置也是如此。
同時，光強的均勻度在整個光場保持例如附圖7圖解的那樣，既在聚斑位置又在泛光位置。
根據本發明，一個具有大孔徑的橢圓形反射鏡被提供。聚斑位置如此設置，一個黑體發射體特別是一個鹵素燈的燈絲，或者一個放電燈的放電弧，位于反射鏡側的橢圓體的焦點，而橢圓體遠離反射鏡的第二個焦點，近似地位于遠離反射鏡的菲涅耳透鏡的負焦點或虛焦點。
通過反射鏡反射的光線在進入負焦距前實際上完全聚焦在遠離反射鏡的橢圓體的幾焦點。燈絲位于反射鏡側的焦點或放電弧上，在穿過菲涅耳透鏡后在無限遠處成象，這樣它的光線變成實際的平行光束。
被反射的光線實質上不再走向燈絲或放電弧。菲涅耳透鏡的負焦點與反射鏡橢圓體的焦點重合，其中橢圓體遠離反射鏡，因而得到非常緊湊的形式。
如果反射鏡和菲涅耳透鏡的孔徑角選擇得當，由反射鏡反射的光線實際上全部穿過菲涅耳透鏡并形成一個窄的點波束向前發射。
因而光輸出遠大于常規菲涅耳透鏡聚光燈的光線。
從菲涅耳透鏡出來的光束的孔徑角實際上在第一個實施例中可以無限放大，一方面通過改變燈相對于反射鏡的位置，另一方面通過改變菲涅耳透鏡和反射鏡之間的距離，以一種適當的方式。
為了保留常規菲涅耳透鏡聚光燈的優點，即照明強度的均勻性，這些距離改變通過恰當的選擇正耦合被完成。
本發明的一個實施例包括一個由金屬或透明材料組成的橢圓體反射鏡。玻璃和聚合物材料或塑料被優選應用，其可以方便地被鍍上金屬，如鋁。
為了產生可選擇的或額外的一個反射面，反射鏡兩面中的一個或兩個裝備有一個光學薄層系統。因此，可見的發射成分被有利的反射，而不可見的元件，特別是熱輻射，被穿過。
本發明一個更優選的實施例的反射鏡，其一面或兩面包括一個金屬涂層。
在一個更進一步的可選擇的實施例中，反射鏡可以是一個金屬反射鏡，其可以是無涂層的，也可以是電介質的或金屬的涂層的，以便產生需要的光譜或腐蝕特征。
本發明的一個優選實施例包括一個菲涅耳透鏡聚光燈，其中反射鏡的反光面以散射光線被構造，而菲涅耳透鏡的一個或兩個表面甚至沒有表面被如此構造以致它或它們散射光線。這導致關于幾何學上/光學上的成象光線的散射光線的一固定比例的迭加，這避免了燈在光場成象。為了這個目的反射鏡優選的具有面元素或刻面，其允許它的光線散射元件以一個規定的方式計算或制造。
隨著光源不斷的小型化，例如在數字投射的重要領域或高功率放電燈，然而，可能產生一個更顯著的中心黑暗區域，通過反射鏡中的散射裝置，其是不能被補償的，或只能用較大的光損失來補償。常規的散射裝置用來避免光源發射中心成象只能在有限的程度內克服它，因為在這種情況下，在菲涅耳透鏡的每個部分，至少黑暗中心的開球必須被均勻的照亮。但是，尤其在聚斑位置，這導致了過多的光損失，因為在這里只存在有一個帶有很小的孔徑角的黑暗區域，但是盡管如此，常規的帶有散射裝置的菲涅耳透鏡，菲涅耳透鏡的全部面積被用于散射光場。
本發明已發現，用一個令人驚訝的簡單方法就可以避免這些高的光損失。在這種情況下，其對于帶有散光玻璃的菲涅耳透鏡特別有優點，在一種特別優選的方式下，散光玻璃是圓形的并且僅僅安排在菲涅耳透鏡的中心。
在這個實施例中，在菲涅耳透鏡聚光燈的任何位置，照明場中心的黑暗區域能夠被非常有效的避免，并且反射鏡在聚斑位置時也不引起較大的光損失。
令人驚訝地，已發現當需要的散射光比例增加時，自反射鏡發出的光線，其幾何學的/光學的射束路徑準確地照亮菲涅耳透鏡位置的一個更小的面積。通過本發明，發明人已利用這個現象以生產一種自動的或自適應的光線混合系統，其與菲涅耳透鏡聚光燈的移動同步，僅與需要在此位置的散射光線成分的幾何學的/光學的成象光線混合。
照明混合比例，其實際上最佳的可以與各自需要的光強分布相等，僅與下文中的混合比例有關，在此簡略之。
這種自動光線混合系統導致反射鏡每個位置正確的混合比例，因此產生一個始終均勻照亮的光場，而在同時沒有不必要的散射損耗產生。
在這種情況下，完全照亮的菲涅耳透鏡的混合比例通過選擇關于菲涅耳透鏡剩余面積的綜合散光玻璃的直徑可以被確定，散射光的孔徑角通過負透鏡的散射特征可以被確定。
此外，綜合散光玻璃的散射效應本身可以改變，例如，以便更強的散射面積被安排在在散光玻璃的中心，并且次強的散射面積被安排在在其邊緣。因此，相對高的聚焦光束又另外的被放寬了，因此可以得到非常寬的照射角。
可選擇地，散光玻璃的邊緣不僅可以突然終止，也可以如此設計以使它的散射效應連續降低，也可以在菲涅耳透鏡的上或下延伸。這樣可以更進一步適應與位置有關的混合比例。
本申請引用了在同一天由同一個申請人提交了的名稱為“OptischeAnordnung mit Stufenlinse”(帶有菲涅耳透鏡的光學裝置)的申請，本申請公開的內容通過引用包含了此申請公開的內容全部。
根據本發明，這種聚光燈作為一種閃光燈用于建筑，醫學，膠片，舞臺，工作室和攝影。
在優選的實施例中，散光玻璃可以安置在光線入口側，也可以安置在光線出口側。而且，更有利地是在光線入口側或出口側安置多個散光玻璃。在最后提及的實施例中，還可以使用具有不同散射的散光玻璃，例如在不同位置散光玻璃有不同的散射。


本發明參照附圖將在一個優選實施例中更詳細的說明，其中圖1表示一個菲涅耳透鏡聚光燈位于聚斑位置的實施例，其中遠離反射鏡的反射鏡焦點近似地與右側的菲涅耳透鏡的虛焦點迭加，圖2表示圖1中位于第一泛光位置中所示的菲涅耳透鏡聚光燈實施例，遠離反射鏡的反射鏡焦點近似地安置在菲涅耳透鏡的表面，其與反射鏡接近，圖3表示圖1中位于第二泛光位置所示的有一個大的孔徑角的菲涅耳透鏡聚光燈實施例，遠離反射鏡的反射鏡焦點通過菲涅耳透鏡，成象在菲涅耳透鏡的遠離反射鏡的表面的前面，圖4表示圖1中位于第三泛光位置的所示的菲涅耳透鏡聚光燈實施例，其帶有一個比位于第二泛光位置更大的孔徑角，遠離反射鏡的反射鏡焦點通過菲涅耳透鏡，成象在菲涅耳透鏡的遠離反射鏡的表面的前面，光源從接近反射鏡的焦點向反射鏡移動，圖5表示圖1中位于第二泛光位置的所示的有一個大的孔徑角的菲涅耳透鏡聚光燈實施例，通過一個輔助反射鏡將通過光線的更多比例進入到反射鏡，從那里進入菲涅耳透鏡，圖6表示一個負菲涅耳透鏡，中心安置有一個散光玻璃，圖7表示菲涅耳透鏡聚光燈的光強在它的聚斑位置和它的一個泛光位置的對數關系(其取決于孔徑角)。
圖8表示變量a和b正耦合的特征，經由一個選擇的例子的對于菲涅耳透鏡，橢圓形反射鏡和光源的參數。
具體實施例方式
在下文的詳細說明中，相同的參考標記用于表示相同的元件或在不同實施例中具有相同效果的元件。
下文參照圖1，其表示一個菲涅耳透鏡聚光燈位于聚斑位置的實施例。此菲涅耳透鏡聚光燈包括一個橢圓形反射鏡1，一個燈2其可以是一個鹵素燈或一個放電燈，一個菲涅耳透鏡3，其是一個具有負折射本領的透鏡，優選是一個兩面凹的菲涅耳透鏡。
在圖1中，遠離反射鏡的橢圓形反射鏡1的焦點F2近似地與右側的菲涅耳透鏡3的虛焦點或負焦點F3迭加。
從聚光燈發射的光束4在圖中僅用它的射束外邊界示意地表示。
菲涅耳透鏡3和反射鏡1的前邊緣之間的距離，燈2和反射鏡1的頂點之間的距離，同樣如圖1所示。
聚斑位置通過安排燈絲或燈2的放電弧基本上位于反射鏡橢圓體1在反射鏡側的焦點F1而被設置。
在這個位置，從反射鏡1反射的光線實際上在遠離反射鏡的橢圓體1的焦點F2處被完全導向。右側的菲涅耳透鏡3的負焦點或虛焦點F3因此與反射鏡橢圓體1的焦點F2近似迭加。
在圖1中的近場還顯示了反射鏡1上的開口5在光場4的平行射束路徑中起一個黑暗區域6的作用。
一個圓形的中心定位的散射玻璃7被安裝在菲涅耳透鏡3中，對散射光產生一個規定的散射光線比例和散射光的一個規定的孔徑角。這導致散射光相對于光線的一個規定的混合比例，所述光線是通過菲涅耳透鏡3幾何學的/光學的成象的。
作為散射玻璃7實施例可選擇的實施例，在一個更進一步的實施例中，散射效應沿著散光玻璃7的半徑連續變化，以致較強的散射面積位于散光玻璃7的中心，而較弱的散射面積位于其邊緣，此邊緣突然終止。
在另一個可選擇的實施例中，散光玻璃7的邊緣不僅可以設計為突然終止，也可以如此設計以使它的散射效應連續降低，并可以在菲涅耳透鏡的上或下延伸。
因此，進一步的與位置有關的混合比例的替換作為此系統的一個功能，以便本領域的技術人員，能夠始終提供一個最佳的混合比例用于均勻照亮的光場或特定方式產生的局部強度高的光場。
圖1還顯示所有光線中只有一小部分通過在聚斑位置的散光玻璃7。
散光玻璃7導致了非常均勻的照亮，如在圖7中用于聚斑位置的線8所示，其顯示了一個菲涅耳透鏡聚光燈的光強的對數關系(其取決于孔徑角)。
圖2表示圖1中所示的菲涅耳透鏡聚光燈位于第一泛光位置的實施例，其中遠離反射鏡的反射鏡1焦點F2近似地安置在菲涅耳透鏡3的表面，其與反射鏡接近。
在這種情況下，關于聚斑位置的位移值通過機械導軌以一種規定的方式改變。
從根本上，這種設計與圖1中對菲涅耳透鏡聚光燈的設計對應。
但是，如同在圖2中清楚可見的那樣，發射的光束4的孔徑角和黑暗區域6的孔徑角增大了。
但是，由于在這個位置的大部分光線集中在散光玻璃7中心的一個很小的區域，此區域實際上可以如此設計，使它向前的散射波瓣，在遠場或遠區域以一種所希望的的方式，近似地補償黑暗區域6。參照圖7，其線9顯示了光線狀態，例如在一個泛光位置。
下面文字提到圖3，其表示圖1中所示的菲涅耳透鏡聚光燈位于第二泛光位置的實施例，其帶有一個比圖2中的更大的孔徑角，遠離反射鏡的反射鏡1的焦點F2通過菲涅耳透鏡3，成象在遠離反射鏡的菲涅耳透鏡3表面的前面。
在這種情況下，散光玻璃7比圖2中顯示的更大區域有光線通過，而它的全部散射行為能夠與此泛光位置的關系相匹配。
如圖4圖解的那樣，光束4更加擴寬，作為對圖3中顯示的泛光位置的替換或附加，通過改變燈2和反射鏡1之間的距離b。向反射鏡1再一次移動燈2，離開反射鏡的光束更強的聚焦，導致從菲涅耳透鏡3發射后增加的發射角。
距離a和距離b的改變可以在更多的實施例中實現，例如，通過手工，機械的，電力的，電子的或它們的結合，光學元件可以為此目的軸向地導向。
為了保持照度的均勻度，距離的改變特別通過一種優選的實施例，通過恰當的選擇正耦合實現，正耦合保持了a和b的變化之間的規定關系。
正耦合確定的變量a和b之間的關系通過被用于菲涅耳透鏡的、用于合成散光玻璃的、用于橢圓形反射鏡和用于光源的參數控制。在這種情況下，參數包括各元件的尺寸，幾何形狀，結構和光學特性。
特別地，用于菲涅耳透鏡的參數包括它的光學直徑，焦距，曲率，光散射結構和它在菲涅耳透鏡的前和/或后表面的安排；被合并到菲涅耳透鏡里的散光玻璃所使用的參數是它的光學直徑，它的光散射結構和它的安排；橢圓形反射鏡的參數是它的光學直徑，它的曲率，它的焦距，它的表面結構，兩個焦點之間的距離和燈襯套的直徑，光源(luminaire)的參數是它的形狀，它的尺寸，它的位置和光源的性質，例如是一個金屬蒸汽放電燈，鹵素燈或CDM燈。在此沒有特別提及的參數可以導致更多的影響。
舉例來說，圖8表示變量a和b之間正耦合的特征。用于菲涅耳透鏡，橢圓形反射鏡和光源的參數的選擇如下例菲涅耳透鏡具有160mm的光學直徑和108.7mm的負焦距，在中心有一個直徑28mm的整體化的散光玻璃(蜂窩對角線3.4mm，半徑4mm，3°扭曲)，后表面帶有光散射結構；橢圓形反射鏡具有160mm的光學直徑和35mm的焦距，兩個焦點之間距離160mm，燈導軌直徑30mm；光源在軸向位置的一個圓筒，長約7.2mm，直徑約2.6mm。
參數的改變導致通過正耦合確定的變量a和b之間的關系的改變。這導致通過正耦合確定的特征之間的功能關系的改變。
圖5顯示了一個更優選的實施例。在這個實施例中，其與上述的實施例一致，除了一個附加的輔助反射鏡18，輔助反射鏡18使從燈2發出的光線偏轉(其將在圖5中向右傳播而不會到達反射鏡1)通過反射引入反射鏡。結果，不僅例如通過射束路徑19的光線(其不帶輔助反射鏡，對照明沒有貢獻)可以被使用，而且也可能使用另外進入菲涅耳透鏡3的一部分光線，其對于所需的光強分布導向的更好。
輔助反射鏡18的形狀有利地選擇為，反射到其上的光線不會再進入產生光線的燈2的裝置上，例如一個燈絲或一個放電區，也不會不必要地加熱它。
可選擇地，輔助反射鏡18可以配合安裝進燈2的玻璃體的內表面和/或外表面。燈體的玻璃可以為此目的成形，即為反射光達到所需的導向效果。
作為例子，圖6顯示一個帶有散光玻璃7的菲涅耳透鏡3，如本發明所使用的。菲涅耳透鏡3具有一個透明的基體10和一個菲涅耳透鏡環系11，其具有環形透鏡區11，12，13，在它們之間安置圓形散光玻璃7。
散光玻璃7以一種規定的方式構造，或具有刻面15，16，17，其在一個寬的范圍內能夠被精確地確定散射行為，刻面15，16，17在同一個申請人的德國專利申請DE10343630.8，名稱為“Streuscheibe”(Diffusing glass)中被說明，其于9月19日向德國專利商標局提交。本申請通過引用包括了此申請公開的全部內容。
然而，本發明不限于這些已被說明的散光玻璃的實施例。
如上所述的菲涅耳透鏡聚光燈特別有利地用于帶有電源或鎮流器的照明裝置，它遠比現有技術的小。供電設備能夠設計為電力的和機械的，比現有技術使用同樣光功率的小，因為根據本發明的菲涅耳透鏡聚光燈有相當高的光輸出。因此所需的重量輕，并且用來運輸和貯藏的空間小。
然而，特別是用冷光反射鏡時，這也減少了施加在照明人員或物體上的熱負荷。
此外，根據本發明的菲涅耳透鏡聚光燈能夠有利地用于增加閃光燈的光輸出，原則上，其可利用的電能是非常有限的。
附圖標記表1反射鏡2燈3菲涅耳透鏡4發射的光束5反射鏡1中的開口6黑暗區域7散光玻璃8在聚斑位置的強度分布9在泛光位置的強度分布10基體11菲涅耳透鏡環系12環形透鏡區13同上14同上15刻面16同上17同上18輔助反射鏡19被輔助反射鏡反射的射束路徑
權利要求
1.一種菲涅耳透鏡聚光燈，其發射的光束具有一個可調節的孔徑角，帶有一個優選的橢圓形反射鏡，一個燈和至少一個菲涅耳透鏡，其中菲涅耳透鏡是一個帶有負焦距的透鏡，并因而是一個帶有虛焦點的負透鏡。
2.如權利要求1所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中菲涅耳透鏡帶有一個虛焦點，其上一個遠離反射鏡的反射鏡的焦點，特別是當菲涅耳透鏡聚光燈位于聚斑位置時，能夠被迭加。
3.如權利要求1或2所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中菲涅耳透鏡最好是兩面凹的負透鏡。
4.如權利要求1，2或3所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中菲涅耳透鏡包括具有上色校正的成象特性的雙透鏡。
5.帶有權利要求1前序部分特征，特別是如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，包括一個帶有整體化的散光玻璃的菲涅耳透鏡。
6.如權利要求5所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中散光玻璃是圓形的并安置在菲涅耳透鏡的中心，并確定一個光線混合系統，其改變相對于幾何學的/光學的成象光線比例的散射光的比例，即光線混合比例，作為菲涅耳透鏡聚光燈的位置的一個函數。
7.一種菲涅耳透鏡聚光燈，其中，根據對從聚光燈發射的光束設定的孔徑角，菲涅耳透鏡和反射鏡之間的距離(a)能夠相對于燈和反射鏡之間的距離(b)以一個確定的幾何關系變化。
8.如權利要求7所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中距離(b)能夠通過安置燈而調節以便它可以關于反射鏡的頂點移動。
9.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中反射鏡由金屬的或透明的，優選介電材料，例如玻璃和/或塑料組成。
10.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，反射鏡的兩個主表面中的至少一個提供有一個光學薄層系統。
11.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中反射鏡的兩個主表面中的至少一個鍍有金屬，優選鋁。
12.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，反射鏡的光線反射面被如此構造以使得它散射光線，優選地具有面元素或刻面，并且菲涅耳透鏡的一個，兩個表面或沒有表面被如此構造以致除了散光玻璃以外它或它們也散射光線。
13.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中菲涅耳透鏡是一個負透鏡，如同一天由同一個申請人提交的德國申請說明書和權利要求所述的那樣，此申請名稱為“Optische Anordnung mit Stufenlinse”(帶有菲涅耳透鏡的光學裝置)。
14.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中反射鏡，菲涅耳透鏡和/或散光玻璃至少一面被涂上涂層。
15.如權利要求14所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中菲涅耳透鏡上的涂層包括一個電介質干涉層系統，其改變穿過它的光線的光譜。
16.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中燈是一個白熾燈，特別是一個鹵素燈，一個發光二極管，一個發光二極管陣列或一個氣體放電燈。
17.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中一個輔助反射鏡被安裝在菲涅耳透鏡和反射鏡之間。
18.如上述權利要求之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈，其中菲涅耳透鏡在它的表面是預應力的，優選熱預應力的。
19.一種包括如上述權利要求1至18之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈的照明裝置，還有一個連帶的電源或鎮流器。
20.對權利要求1至18所述的菲涅耳透鏡聚光燈和權利要求19所述的照明裝置的使用，其用于醫學，建筑，膠片，舞臺，工作室和攝影。
21.一種帶有如上述權利要求1至18之一所述的菲涅耳透鏡聚光燈的閃光燈。
全文摘要
為了提供一種發射的光束具有一個可變的孔徑角的菲涅耳透鏡聚光燈，其帶有一個優選的橢圓形反射鏡，一個燈和至少一個菲涅耳透鏡，其具有更緊湊的形式，并因此不僅更加節約空間，并且比常規的菲涅耳透鏡聚光燈更輕，一個具有負焦距和一個虛焦點的透鏡被用作散光玻璃。
文檔編號F21S2/00GK1648518SQ200410099719
公開日2005年8月3日 申請日期2004年12月22日 優先權日2003年12月22日
發明者盧迪格·吉特爾曼, 哈里·韋格納 申請人:肖特股份公司